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2023年8月，国际清洁交通委员会（ICCT）发布了《燃料电池改装飞机性能分析报告》，该报告认为氢燃料电池飞机未来可能占据15%到20%的涡桨支线飞机市场份额，使其碳排放减少90%。
新能源支线飞机产业在过去的三年中迅速壮大，总投资额超过30亿美元，并大多采用了氢燃料电池作为动力来源。这其中的一个重要原因是氢燃料电池技术成熟度相对较高，而支线飞机又非常适合验证电推进系统、能量管理系统、创新气动布局和结构等技术，是迈出新能源飞机大型化以及干支线航空新能源化的第一步。
目前在氢燃料电池支线飞机领域进展较快的两家企业分别是环球氢能（Universal Hydrogen）和 ZeroAvia，他们都在为ATR 72支线飞机开发氢燃料电池改装方案。环球氢能正在使用Dash 8-300飞机作为测试平台，目标是在2025年获得改装型ATR-72的补充型号认证（STC）。ZeroAvia计划在2024年启动Dash 8-400 测试平台， 2027年之前对改装型ATR-72进行型号认证。
环球氢能
环球氢能成立于2019年，致力于开发氢动力商业飞机和氢燃料运输网络，其创始人是前A3公司CEO、空客CTO和UTC公司CTO的保罗·埃雷蒙科。环球氢能正在研究一种端到端的氢燃料储运加注解决方案，使用模块化的氢燃料胶囊存储罐，从氢燃料生产基地直达世界各地的机场。氢燃料胶囊存储罐在氢生产基地加注封装，通过公路或铁路运输送达到机场，随后快速换装到飞机上，使用完的胶囊存储罐运送回生产基地实现全流程闭环。环球氢能正在开发的改装技术可以较为便利地为现有机型改装氢燃料电池动力系统和模块化胶囊存储罐系统。
2021年7月和10月，环球氢能开始对Dash-8 300、ATR-72飞机的改装测试工作。2023年3月3日，环球氢能的Dash-8 300混合动力飞机在美国摩西湖机场首飞，该架飞机一侧的涡桨发动机被替换成一个兆瓦级氢燃料电池动力系统，电机部分采用Magni650，液氢存储罐安置在机身内部后方。本次试飞的飞行高度3500米，飞行时间15分钟，巡航过程中常规发动机几乎停转，由电动机提供大部分动力。环球氢能表示选择Dash-8 300进行首飞的原因是Dash-8 300在单侧发动机停转时的飞行性能优于ATR-72。环球氢能仍计划在2025年前使ATR-72成为首架投入使用的氢能支线飞机，采用完全氢动力的ATR-72载客量从68人降低到56人，航程降低到800公里（降低50%）。
ZeroAvia
ZeroAvia公司成立于2017年，致力于开发商用航空零排放解决方案，使用氢燃料电池为传统动力的涡桨支线飞机提供动力。2020年12月，该公司获得英国政府的ATI项目1230万英镑的资助用于开发19座氢动力飞机。该项目采用多尼尔（Dornier）228 19座飞机进行改装，将原有的TPE331涡轮螺旋桨发动机更换为一台氢动力的电动机。该电动机使用两个氢燃料电池，并使用锂离子电池提供峰值电力。ZeroAvia正在开发两套氢燃料电池动力系统总成，分别是面向9到19座飞机的ZA600动力总成，预计2025年投入使用，以及面向40到80座飞机（例如ATR和Dash-8系列）的ZA2000动力总成，预计2027年投入使用。
2023年1月，使用氢动力改装的多尼尔228 19座飞机在位于英国格洛斯特郡的机场成功试飞。本次试飞中氢气存储罐和燃料电池安置在机身内部， ZeroAvia声称在投入商业运营的型号中上述组件将全部安置在机身外部。ZeroAvia的两架原型机已经获得CAA和FAA试验认证，并计划在2025年将第一架使用完全氢动力的商用飞机投入运营。
2023年7月，ZeroAvia宣布已完成其由多尼尔228飞机改装的ZA600氢燃料电池原型机的第一阶段飞行测试。ZeroAvia表示，试验期间燃料电池和推进系统的表现达标，甚至超出了预期，有些测试过程仅需氢燃料电池产生的动力即可完成飞行。
未来展望
根据ICCT的研究成果，使用氢燃料电池的ATR-72飞机每年可以减少2500吨温室气体排放，而随着氢燃料电池推进系统效率的提高和氢能产业的发展，2030年美国的氢燃料使用成本仅比航空煤油高出29%到40%，这一数字目前在100%以上，2050年氢燃料使用成本将低于航空煤油。综合ICCT以及其他相关研究结论，氢燃料电池改装飞机具有以下优点：
使用氢燃料电池改造ATR 72等涡桨支线飞机可以更加节能
使用绿氢为氢燃料电池飞机提供动力将减少90%的温室气体排放量
氢燃料电池推进系统效率的不断提高将持续降低绿氢燃料的使用成本
使用液氢作为燃料将增加氢燃料电池飞机的有效载荷和航程
氢燃料电池飞机可满足15%到20%的涡桨支线飞机市场需求
提高氢燃料电池效率是提高飞机性能的最有效方法
总体而言，改装了氢燃料电池动力系统的涡桨支线飞机将获得更高的能量利用效率和更低的碳排放，但燃料成本更高，有效载荷和航程也会降低。但随着技术和产业的不断进步，氢燃料电池飞机相比于传统化石燃料飞机的劣势将逐渐缩小。
用氢燃料电池为飞机提供动力是一种很有前景的航空零排放解决方案。目前的氢燃料电池技术还不能完全满足窄体干线飞机的动力需求，但它已经具备了应用在涡桨支线飞机上的条件。虽然氢燃料电池飞机现阶段仍然无法与化石燃料飞机的有效载荷和航程相媲美，我们更看重的是它在节能、环保以及效率等方面的未来发展潜力。
随着环球氢能、ZeroAvia等企业在技术攻关、产品研发领域的不断推进，氢燃料电池飞机正在迈出新能源飞机大型化以及干支线航空新能源化的第一步。对于我国航空企业来说，是否应该紧跟国外发展步伐，避免在未来的产业竞争中陷入劣势，是需要我们尽快思考并付诸行动的重要问题。
作者 | 中国航空工业发展研究中心 纪宇晗
来源 | 民机战略观察
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